Choix de réfrigérants pour la réfrigération · PDF file3 1. Préambule 1.1. Introduction 4 1.2. Glossaire 5 1.3. Résumé 5 2. Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale

Choix de réfrigérants pourla réfrigération commercialeTrouver le bon équilibre

2

Les faits et chiffres publiés dans cette étude théorique sont basés sur des hypothèses classique de la profession et les coéfficients de performance sontextraits de documents publics. Emerson Climate Technologies ne peut être tenu responsable de problèmes survenant lors de l'application de donnéescontenues dans cette étude.

3

1. Préambule

1.1. Introduction 4

1.2. Glossaire 5

1.3. Résumé 5

2. Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale -

Trouver le bon équilibre

2.1. Introduction 7

2.2. Portée de l'étude 7

3. Types de systèmes

3.1. Détente directe centralisée 8

3.2. Détente directe répartie 9

3.3. Système en cascade 10

3.4. Système secondaire 11

3.5. Système au R744 transcritique booster 12

4. Définition du système

4.1. Conditions saisonnières de fonctionnement 13

4.2. Charges 13

4.3. Charges parasites 13

4.4. Rendement et coefficient de performance (COP) 13

4.5. Climat 14

4.6. Supermarché modèle 14

4.7. Facteur carbone 14

4.8. Durée de vie 14

4.9. Récupération en fin de vie 14

4.10. Charge en réfrigérant par kW de charge 14

4.11. Taux de fuite en réfrigérant 14

4.12. Charges, conditions de fonctionnement

et charges auxiliaires pour les calculs 15

4.13. Valeurs de GWP 15

4.14. Limites d'applicabilité 16

5. Configurations des cas

5.1. Introduction 17

5.2. Cas 17

6. Comparaison des cas et résultats"

6.1. Consommation énergétique 18

- Europe du Nord 18

- Europe du Sud 18

6.2. Impact sur l'environnement / Empreinte carbone 20

- Europe du Nord 20

- Europe du Sud 20

6.3. Coûts d'investissement 22

6.3.1. Structure des coûts d'investissement et

pondérations des systèmes

composants du système 22

6.3.2. Comparaison des coûts d'investissement 26

7. Constatations et discussions

7.1. Constatations 27

7.2. Addition des trois critères 29

8. Conclusion générale 31

SOMMAIRE

1.1. Introduction

Emerson Climate Technologies favorise des solutions permettant de préserver les aliments tout enprotégeant l'environnement. La réduction de l'empreinte carbone et de l'impact sur le changementclimatique grâce à une utilisation responsable de l'énergie est un objectif environnemental capital.

Cette étude est destinée à aider nos clients à atteindre ces objectifs, en les guidant dans le processusdécisionnel complexe de définition de systèmes de réfrigération, pour de nouveaux bâtiments ou degrands projets de rénovation. Cette étude est axée sur le réfrigérant mais prend également en comptel'architecture et la technologie du système de réfrigération qui ont un impact sur la consommation éner-gétique, l'environnement et les coûts d'investissement. Les supermarchés ont été choisis pour cetteétude car ils offrent le meilleur potentiel pour intégrer les derniers principes de conception en réfrigérationafin d'améliorer les performances environnementales.

Quatorze combinaisons de technologies de systèmes et de réfrigérants sont étudiées ici, et appelées« cas ». Cette étude définit le réfrigérant, la technologie de compresseur et le type de système pourchaque cas, ainsi que les alternatives et les conditions de fonctionnement associées.

Nous avons pris comme référence un supermarché ayant une surface de vente de 1000-1200 m2, soitle format typique en Europe. Ce supermarché, le « Cas 1 », est la base à laquelle sont comparées différentescombinaisons de réfrigérants et de technologies.

Cette étude comprend cinq combinaisons réfrigérant/technologie pour les systèmes de réfrigérationde supermarché : détente directe centralisée (DX), détente directe répartie, système en cascade, systèmesecondaire et système booster au R744 trans-critique

4

Préambule1

1.2. Glossaire

BT Basse température

CO2 Dioxyde de carbone

COP Coefficient de performance

DX Détente directe centralisée

EVI Injection de vapeur

GWP Coefficient de réchauffement global

HFC Hydrofluorocarbone

HFO Hydrofluoro-oléfine

MT Moyenne température

ODP Coefficient de destruction de la couche d'ozone

Recip. Compresseurs semi-hermetique à pistons

TEWI Coefficient de réchauffement global total

1.3. Préambule RésuméCette étude analyse les différentes combinaisons de technologies

et de réfrigérants sous trois angles principaux qui orientent les

décisions d'aujourd'hui : consommation énergétique, impact sur

l'environnement et coût d'investissement.

Les conclusions principales de l'étude sont les suivantes :

Consommation énergétique

• Les technologies les plus récentes comme les compresseurs

Copeland Scroll™ ZF avec injection de vapeur (EVI) et ZB,

offrent le meilleur rendement avec un gain allant jusqu'à 12 %

par rapport aux compresseurs à pistons semi-hermétiques.

• La consommation énergétique est généralement supérieure

pour les systèmes autres qu'à détente directe, à cause de la

barrière de transfert de chaleur additionnelle entre les circuits

basse température (BT) et moyenne température (MT).

• Un compresseur Scroll utilisant le réfrigérant R407A/F (Le R407A

et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants

ont été regroupés pour simplifier l'étude.) est une

excellente solution en terme de rendement énergétique.

• La meilleure option de remplacement du R404A en détente

directe est le R407A/F, plus favorable que le R134a.

La cascade R744/R407A/F est une bonne alternative.

• Le R744 a des propriétés de transfert de chaleur particulièrement

bonnes ce qui autorise des différences de température plus

faibles au sein des 'échangeurs de chaleur, améliorant ainsi le

rendement du système.

• En mode transcritique, les coefficients de performance (COP )

sont inférieurs à ceux des systèmes à compression de vapeur

classiques. Les climats les plus chauds (Europe du Sud) pénalisent

le R744.

Impact sur l'environnement

• En Europe, le R404A est le réfrigérant le plus utilisé en

réfrigération. Cependant, il est possible de réduire

considérablement les émissions en améliorant les systèmes et

en adoptant un réfrigérant ayant un coefficient de réchauffement

global ( GWP) plus faible.

• Les systèmes à détente directe répartie peuvent réduire les

émissions directes grâce à une charge moindre et à des taux de

fuites plus faibles, avec des groupes fabriqués en usine.

• Les compresseurs Scroll à connexions brasées contribuent à ces

réductions.

• Les systèmes répartis à détente directe au R407A/F ou R404A

représentent une très bonne alternative, surtout en Europe du

Sud.

• Les systèmes secondaires offrent les TEWI les plus faibles, car la

charge en réfrigérant est moindre.

• Les valeurs de TEWI peuvent être améliorées en remplaçant le

R404A par le R134a pour le refroidissement à moyenne

température. Le R134a n'est pas approprié à la basse

température.

• Le booster R744 est une configuration excellente pour réduire

le TEWI en Europe du Nord. Les systèmes secondaires utilisant

du R744 et du R410A peuvent même offrir des valeurs de TEWI

légèrement inférieures.

• La cascade utilisant du R407A/F à moyenne température réduit

la consommation énergétique, mais comme il n'y a pas d'écono-

mies d'émissions directes pour la basse température, le TEWI

est environ 4 % supérieur à celui de l'alternative au R134a. Cepen-

dant, le coût d'investissement est considérablement inférieur.

• Un système secondaire élimine pratiquement l'effet des

émissions directes. Un refroidisseur au R410A peut être utilisé

à moyenne température et à basse température en cascade, et

le taux de fuite d'un groupe fabriqué en usine est considérable-

ment réduit.

• En utilisant du R290 ou du HFO pour le refroidisseur, même cette

petite émission directe peut être éliminée, mais avec un surcoût

associé à des précautions de sécurité supplémentaires.

• Le HFO (Hydrofluoro-oléfine) est un remplaçant potentiel du

R134a dans les systèmes secondaires à moyenne température

car il offre un rendement similaire.

Coûts d'investissement

• Les systèmes répartis génèrent le plus faible coût

d'investissement, mais ils ne peuvent être appliqués qu'à des

édifices appropriés (installations du type roof top).

5

6

• Le passage de la détente directe à d'autres systèmes entraîne

des coûts d'investissement supplémentaires.

• Les systèmes booster au R744 offrant l'élimination des HFC et

des réfrigérants inflammables nécessitent l'investissement le

plus élevé.

• Le passage du R404A au R134a pour la moyenne température

améliore le TEWI mais génère un impact sur le coût

d'investissement.

• Une alternative excellente au R134a dans les systèmes moyenne

température est le R407A/F, en terme de coûts d'investissement

et de consommation énergétique.

• L'utilisation du R290 ou du HFO dans un refroidisseur afin de

réduire considérablement les émissions directes entraîne un

surcoût associé à des précautions de sécurité supplémentaires.

• Comme la quantité de R744 nécessaire pour atteindre la même

puissance frigorifique est bien inférieure à celle des HFC, de

nombreux composants comme les compresseurs et tuyaux

peuvent être plus petits que dans les installations classiques.

• Les circuits de réfrigération au CO2 transcritique fonctionnent

à des pressions bien supérieures à celles des systèmes classiques

au R404A . Ceci nécessite des composants et des techniques

d'assemblage peu répandus actuellement dans le secteur de la

réfrigération pour les supermarchés.

• Le fonctionnement en mode trans-critique, qui requiert une

conception différente de celle des systèmes classiques aux HFC,

est inconnu de la plupart des techniciens de maintenance en

réfrigération, causant donc un problème de sécurité.

• Le R744 n'est pas largement utilisé dans les systèmes de

réfrigération. Cela limite le choix des composants, qui en outre

sont généralement plus coûteux. Les pressions élevées

nécessitent également des matériaux et des conceptions plus

pointues et plus coûteuses.

• Le passage à un système booster au R744 nécessiterait

actuellement un changement complet de l'architecture du

magasin. Par conséquent, dans de nombreux cas, cette solution

risque de rester limitée à quelques nouvelles constructions, alors

que la plupart des projets de rénovation resteraient basés sur les

HFC. Durant la phase d'évaluation, les différentes alternatives

devront également être évaluées pour répondre à diverses

contraintes telles que l'investissement, le fonctionnement et la

maintenance du système.

7

2.1. IntroductionLe débat sur ce qui constitue le « bon choix » de réfrigérant pour

les applications de réfrigération commerciale s'est intensifié ces

dernières années, spécialement parce que des études sur les fuites

ont révélé les véritables effets des émissions de HFC dans les

systèmes centralisés. Des réductions considérables des émissions

sont certainement possibles, mais elles impliquent des coûts.

À l'heure actuelle en Europe, le R404A est le fluide le plus

couramment utilisé en réfrigération Bien qu'il soit non toxique et

ait un coefficient de destruction de l'ozone (ODP) égal à zéro, il

possède un coefficient de réchauffement global (GWP) élevé.

Il est possible de réduire considérablement les émissions néfastes

pour l'environnement en utilisant des systèmes alternatifs et en

passant à des réfrigérants ayant un GWP plus faible.

Par exemple, des alternatives aux systèmes de détente directe

(DX) avec un local technique centralisé ont été utilisées avec succès.

Les réfrigérants naturels comme le R744 offrent l'avantage

d'émissions proches de zéro, bien qu'ils puissent présenter des

inconvénients en terme de consommation énergétique, d'émissions

indirectes et de coût d'investissement.

Nous avons réellement besoin d'une analyse précise de différents

systèmes de réfrigération et des réfrigérants qu'ils utilisent, ainsi

que des problèmes liés à l'abandon du R404A, au GWP trop élevé.

C'est l'objectif de cette étude.

2.2. Portée de l'étudeEn tant qu'acteurs responsables, Emerson Climate Technologies

et ses clients, ont pour objectif capital la réduction de l'empreinte

carbone et de l'impact sur le changement climatique grâce à une

utilisation responsable de l'énergie.

Cette étude est destinée à aider nos clients à atteindre ces objectifs.

Elle est axée sur le réfrigérant, ainsi que sur l'architecture et la

technologie du système de réfrigération, qui ont ainsi un impact

sur l'environnement, l'investissement et les coûts de

fonctionnement.

Lorsque l'on envisage de remplacer le R404A, il est nécessaire

d'examiner quatre critères en particulier.

Toute alternative de combinaison réfrigérant et de technologie

doit :

1. offrir des propriétés de sécurité éprouvées et conformes aux

dernières règlementations ;

2. respecter l'environnement avec un coefficient de destruction

de l'ozone (ODP) égal à zéro et un GWP faible ;

3. offrir une disponibilité à long terme à un coût raisonnable ; et

4. offrir des rendements égaux ou supérieurs aux meilleures

technologies actuelles basées sur le R404A pour générer une

faible consommation énergétique.

Par souci de simplicité, nous avons pris comme référence un

supermarché ayant 'une surface de vente entre 1 000 et 1 200 m2,

représentatif du format de magasin typique en Europe. Les armoires

réfrigérées et à surgelés dans ce magasin utilisent toutes le R404A

pour leur refroidissement. Un local technique renfermant la centrale

de réfrigération fonctionne avec des vitrines dotées d'évaporateurs

à détente directe (DX).

La puissance frigorifique requise pour maintenir les vitrines en

température est appelée « charge ». Les autres charges, comme celles

des zones de préparation d'aliments, des chambres froides ou des

comptoirs-vitrines, sont ignorées. Bien que nous sommes conscients

que de nombreux utilisateurs envisagent l'intégration de la

climatisation, du chauffage et de la récupération de chaleur, ces

« solutions totales » ne sont pas traitées dans cette étude.

De telles solutions peuvent certes avoir un impact sur le rejet de

chaleur et l'architecture d'un système, mais nous pensons que les

systèmes de refroidissement de vitrines jouent toujours un rôle

majeur, et ce sont ces systèmes qui sont l'objet de cette étude.

Quatorze combinaisons réfrigérant/technologie sont analysées en

profondeur afin de fournir des informations comparables.

Elles sont désignées comme cas 1 à 14.

Le supermarché « cas 1 » est la base de comparaison des combinaisons

réfrigérant/technologie.

Le réfrigérant, la technologie de compresseur et le type de système

pour chaque cas, ainsi que des alternatives et les conditions de

fonctionnement associées, sont présentés dans cette étude.

Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale - Trouver le bon équilibre2

8

Cette étude comprend cinq combinaisons réfrigérant/technologie

pour des systèmes de réfrigération de supermarchés.

3.1. Détente directe centraliséeC'est un système à détente directe utilisant des HFC pour la basse

température (BT) et la moyenne température (MT) (respectivement

pour les vitrines réfrigérées négatives et positives).

La solution à détente directe centralisée, comprenant deux

systèmes complètement séparés (BT et MT), est typique des

systèmes installés dans les supermarchés en Europe à l'heure

actuelle. Chaque système utilise une centrale multi-compresseurs

comprenant de trois à huit compresseurs à pistons semi-

hermétiques ou Scroll. La centrale, située dans un local technique,

est reliée à un aéro-condenseur situé à l'extérieur. Le liquide

réfrigérant haute pression alimente les vitrines du magasin,

généralement via un réservoir de liquide . Le réfrigérant gazeux

revient ensuite à la centrale via la ligne d'aspiration. La haute

pression est généralement contrôlée par variation du débit d'air.

La haute pression est ainsi maintenue aussi basse que possible,

lorsque la température extérieure est basse. La température de

condensation minimale est supposée être 20 °C pour les circuits

frigorifiques comportant un aéro-condenseur.

Le taux de fuite de réfrigérant des systèmes de supermarché varie

considérablement selon les pays et le type d'installation.

Même dans les meilleurs systèmes, on constate toujours de légères

fuites de réfrigérant (entre 2 et 3 % de la charge du système par

an). Il est également impossible d'éviter quelques défaillances

catastrophiques engendrant la perte totale de la charge en

réfrigérant. Pour un nouveau système de réfrigération classique

au R404A en détente directe en Europe, nous avons utilisé un taux

de fuite annuel moyen de 15 %. Le taux de fuite peut être moindre

dans certains pays mais supérieur dans d'autres, à cause des

différents niveaux de connaissance technique.

Les points de fuite les plus courants pour les systèmes de

réfrigération, selon le guide « REAL Zero » , sont les suivants :

• vannes d'arrêt /à boisseau sphérique /Schrader;

• joints flare et mécaniques;

• soupapes et bouchons fusibles;

• condenseurs;

• pressostats;

• tubes capillaires;

• coudes en U des évaporateurs et condenseurs.

De plus, le taux de fuite global prend en compte les fuites

« catastrophiques ». Ce terme est utilisé pour décrire toute perte

majeure de réfrigérant qui se produit en un seul incident.

Types de systèmes3

condenseur

compresseurs

évaporateur BT ou MT

Détente directe centralisée

9

3.2. Détente directe répartieCe système est similaire à la détente directe centralisée, mais les

compresseurs sont généralement situés à proximité du condenseur.

Au lieu d'un local technique central, de plus petits compresseurs

sont montés dans chaque groupe de condensation. Les groupes

de condensation sont généralement montés sur les toits, chacun

étant directement positionné au-dessus d'un groupe de vitrines

afin d'éviter de longues lignes de réfrigérant. Les groupes de

condensations peuvent être assemblés en usine, ce qui permet

d'optimiser leur qualité et simplifie le processus de construction,

qui est alors plus rapide, plus efficace, plus sûr et moins coûteux.

Cette approche réduit également la charge en réfrigérant et le

taux de fuite, grâce à l'utilisation de tuyauteries de plus petit

diamètre. Cependant, cette solution n'est pas toujours utilisable,

en fonction de l'emplacement et de la structure du bâtiment.

Compresseurs situés à proximité du condenseur

Condenseur +compresseurs

Évaporateur BT ou MT

Détente directe répartie

3.3. Système en cascadeAvec cette technologie, un système à détente directe centralisée

au HFC est utilisé en moyenne température, et le système BT

comporte un circuit séparé qui rejette sa chaleur vers l'évaporateur

du système MT.

Le circuit BT a une température de condensation basse si bien que

le R744 (CO2) peut être utilisé en mode subcritique sans pressions

excessives. Les difficultés ne sont pas fondamentalement différen-

tes de celles des systèmes utilisant des réfrigérants classiques.

La haute pression (entre 30 et 35 bars environ) est toujours dans

les limites de conception normales pour les tuyauteries et les

composants (généralement 40 bars).

La différence de température nécessaire au transfert de chaleur au

travers de cet échangeur supplémentaire représente une légère

perte de rendement énergétique par rapport à un système à

détente directe.

10

Condenseur

CompresseursMT

Évaporateur MT

Évaporateur BT

CompresseursBT

Système en cascade

11

3.4. Système secondaireUn réfrigérant secondaire distribue le froid à moyenne température

dans tout le supermarché. Les dispositifs basse température sont

identiques à ceux du système en cascade décrit au chapitre 3.3.

La chaleur des vitrines réfrigérées est transférée à l'évaporateur

MT en faisant circuler un fluide secondaire, généralement du glycol.

Les échangeurs de chaleur peuvent être placés à proximité des

compresseurs. Lorsqu'ils sont associés à un aéro-condenseur ,

l'ensemble peut être livré sous la forme d'une unité pré-assemblée

similaire à un refroidisseur de liquide. Il en résulte une charge en

réfrigérant MT considérablement réduite, et le taux de fuite de

réfrigérant est moindre grâce à la fabrication en usine.

Les systèmes à réfrigérant secondaire nécessitent une pompe pour

faire circuler le fluide dans l'enceinte du supermarché.

L'échangeur thermique requiert une différence de température

pour le transfert de chaleur, donc la température d'évaporation

MT doit être inférieure à celle du réfrigérant secondaire, ce qui

entraîne une augmentation de la consommation énergétique du

compresseur. Dans cette étude, nous avons supposé une différence

de température de 5 K, soit une température d'évaporation MT

de -10 °C.

Les systèmes secondaires nécessitent moins de temps de

maintenance que les solutions à détente directe.

Condenseur

CompresseursMT

Refroidisseur MT

Évaporateur BT

CompresseursBT

Système secondaire

12

3.5. Système transcritique booster au R744Ce modèle utilise le R744 (CO2) dans les systèmes BT et MT.

Les compresseurs BT agissent comme des boosters pour remonter

de l'étage BT vers l'étage MT.

Pour des températures ambiantes supérieures à environ 23°C, la

pression de refoulement des compresseurs est supérieure à la

pression critique du R744 (74 bars). Le condenseur agit alors

comme un refroidisseur de gaz et fait chuter la température de la

vapeur sans la condenser . Le fluide refroidi passe dans une vanne

de réduction de pression, et à ce stade une partie est condensée

en liquide.

Le liquide et le gaz sont séparés dans une bouteille flash, dans

laquelle la pression est régulée entre 35 et 40 bars environ.

Le liquide est ensuite distribué aux vitrines MT et BT par une ligne

liquide à cette pression intermédiaire. La vapeur est amenée via

un détendeur additionnel vers l'aspiration des compresseurs MT.

L'utilisation d'un compresseur séparé peut s'avérer une méthode

adéquate pour augmenter le rendement du système dans les

régions les plus chaudes

Condenseur

CompresseursMT

Évaporateur MT

Évaporateur BT

CompresseursBT

BouteilleFlash

Système transcritique booster au R744

13

Dans cette étude, des simplifications ont été effectuées afin que

les calculs de consommation énergétique et d'impact sur l'environ-

nement restent facilement compréhensibles. Ces simplifications

peuvent ne pas être appropriées à un système particulier, mais

cette approche permet véritablement une comparaison réaliste,

puisque les mêmes conditions sont applicables pour chaque cas.

Des différences émanant de la nature du système, du réfrigérant

et du type de compresseur existent en fonction des cas.

4.1. Conditions de fonctionnement saisonnièresUne température de condensation de 25 °C a été utilisée pour

représenter des conditions de fonctionnement moyennes en

Europe du Nord, et de 30 °C en Europe du Sud (voir « Climat » ci-

dessous).

4.2. ChargesLes charges ont été supposées constantes tout au long de l'année.

4.3. Charges parasitesLes pertes des lignes d'aspiration et les pertes de charge sont

négligées.

4.4. Rendement et coefficient de performance

(COP)Les données des compresseurs proviennent du logiciel de sélection

Copeland® Select version 7 et de logiciels ou catalogues d'autres

fabricants de compresseurs. Nous avons choisi des compresseurs

à pistons semi-hermétiques et scroll, utilisant la toute dernière

technologie disponible. Le COP est défini comme COP du

compresseur, c'est-à-dire comme le ratio entre la puissance

frigorifique et la puissance électrique publiées aux conditions de

condensation et d'évaporation spécifiées dans le tableau de la

section 4.12. La technologie transcritique au CO2 en est encore à

ses débuts en termes de développement, et bien que des données

de compresseurs soient publiées, les méthodes d'application et

de contrôle ont une influence importante sur le rendement du

système. Un fonctionnement au mode subcritique peut donner

un meilleur rendement que les systèmes conventionnels actuels.

Cette amélioration de rendement est nécessaire pour compenser

le faible COP transcritique qui accompagne les conditions à haute

température ambiante. La situation géographique joue par là un

rôle important. Au plus le climat est chaud, au plus le système

fonctionnera en mode transcritique.

Pour cette étude, nous avons considéré le scénario le plus favorable

pour le système transcritique au CO2. Des études ont montré que

des systèmes transcritique au CO2 optimisés, utilisés à la fois côté

BT et MT peuvent fonctionner avec des COP moyens similaires à

ceux des systèmes équipés de compresseurs semi-hermétiques

à pistons au R404A dans le climat de l'Europe du Nord. Cette

comparaison est normalement effectuée lors de l'évaluation des

avantages d'une solution utilisant des réfrigérants naturels. Pour

cela, on bénéficie des pertes de charge inférieures du R744 et de

meilleures propriétés de transfert de chaleur.

Le sous-refroidissement est également un avantage avec le R744,

et est normalement requis dans un système au R744 optimisé

pour atteindre le COP souhaité ici.

Pour le système au R404A, nous avons supposé que la haute

pression est fixée au minimum à 20 °C de condensation, pour

toutes les conditions ambiantes en-dessous de 10 °C. Par contre

la haute pression du R744 est autorisée à être flottante jusqu'à

une température bien inférieure. Le graphique ci-dessous illustre

l'évolution relative du COP en fonction de la température

extérieure.

Le système du cas 1 (référence) avec la technologie scroll indique

une amélioration du COP moyen MT d'environ 10% par rapport

aux compresseurs à pistons classiques. Pour le climat d'Europe du

Nord, nous avons supposé que la solution au R744 peut atteindre

le même COP moyen qu'une solution classique utilisant un

compresseur à pistons. Pour l'Europe du Sud, il est considéré que

le système transcritique au CO2 fonctionne avec un COP moyen

10% inférieur à celui d'un système MT aux HFC.

Définition du système4

Température de l'air extérieur (°C)

HFCHFC, contrôlé côté haute pression

R744 sub-critique

R744 transcritique

R744meilleur

plus faible ENR744

0 20 40

COP

10 30

4.5. ClimatLa température de condensation moyenne des HFC de 25 °C utilisée

pour les conditions d'Europe du Nord est basée sur une température

extérieure moyenne de 15 °C, avec une différence de température

au condenseur de 10 K. Ceci avec une température de condensation

contrôlée à 20 °C minimum, et donc en comptant à 10 °C toutes

les heures où la température extérieure est en fait inférieure à 10 °C.

L'examen des profils de température pour un certain nombre de

villes d'Europe du Nord a révélé que, sur cette base, la température

extérieure moyenne se situe entre 14 et 16 °C, donc 15°C est une

bonne moyenne. Une analyse des tranches saisonnières sépare les

températures extérieures annuelles en différents segments (bins).

Les charges et les consommations énergétiques pour tous les

segments sont additionnées. Le ratio de ces totaux est le COP

saisonnier, qui s'est avéré presque identique à la valeur sélectionnée

à 25 °C de condensation.

Une ville typique d'Europe du sud a une température extérieure

moyenne de 18 à 20 °C. Dans cette étude, une température de

condensation moyenne de 30 °C a été prise pour l'Europe du Sud,

en utilisant la même approche que pour l'Europe du Nord.

4.6. Supermarché modèleCette étude porte sur le système de réfrigération d'un supermarché

européen typique. Nous avons supposé les charges continues

suivantes pour un supermarché de 1000 à 1200 m2 :

MT : 75 kW et BT : 18kW.

4.7. Facteur carboneLe facteur carbone est la quantité de dioxyde de carbone (CO2)

émise par kWh d'électricité produite. Il dépend de la proportion

d'électricité générée à partir de combustibles fossiles, du type de

combustibles fossiles et du rendement du carbone.

Par exemple, quand l'énergie provient d'une source renouvelable

comme l'énergie éolienne ou hydraulique, le facteur est faible.

Nous avons utilisé un facteur moyen de 0,4 kg de CO2/kWh pour

l'Europe. Cette donnée provient d'une étude de la Direction

générale de l'énergie et des transports de la Commission

européenne (EU DG-TREN) intitulée : “European Energy and

Transport Trends to 2030 (PRIMES), Bruxelles”.

4.8. Durée de vieL'analyse TEWI est basée sur une durée de vie du système de 10

ans. Les données représentent les émissions de CO2 et la

consommation d'énergie électrique sur une période de 10 ans.

Il s'agit de la période adoptée dans l'exemple présenté dans les

directives TEWI de l'association de réfrigération et de l'institut de

réfrigération britanniques.

4.9. Récupération en fin de vieIl est supposé que 95 % de la charge de réfrigérant est récupérée

après la période de 10 ans, et non rejetée dans l'environnement.

4.10. Charge en réfrigérant par kW de chargePour un système à détente directe réparti, la charge est égale à

75 % de celle d'un système centralisé équivalent. Pour les systèmes

en cascade, la charge à moyenne température en kg par kW de

charge est la même que pour un système à détente directe

centralisée. Les niveaux de charge secondaires en MT se basent sur

ceux d'un refroidisseur fabriqué en usine.

4.11. Taux de fuite en réfrigérant Un système à détente directe répartie a un taux de fuite inférieur

d'un tiers à celui d'un système centralisé, car il nécessite moins de

tuyauteries et comprend généralement un petit système fabriqué

en usine, utilisant des compresseurs scroll hermétiques. Avec ce

type de système à faible charge, une perte de réfrigérant peut

rapidement être détectée et stoppée. Les taux de fuite pour les

cas MT avec secondaire sont basés sur ceux d'un refroidisseur

fabriqué en usine.

14

Charge en réfrigérant, kg/kW de charge

Détente directe centralisée basse température

Détente directe basse température répartie

Détente directe centralisée moyenne température

Détente directe moyenne température répartie

Température moyenne secondaire , R410A

Température moyenne secondaire , R290

Température moyenne secondaire , HFO

4

3

2

1.5

0.5

0.75

1

Taux de fuite en réfrigérant, % de charge par an

Détente directe centralisée basse température

Détente directe basse température répartie

Détente directe centralisée moyenne température

Détente directe moyenne température répartie

Température moyenne secondaire

15

10

15

10

5

15

Ces hypothèses sont basées sur des données actuelles publiées

reflétant la situation actuelle.

Cependant, plusieurs règlementations sont déjà en application

pour réduire les fuites des installations de réfrigération, et donc

réduire le TEWI (émissions directes).

4.12. Charges, conditions de fonctionnement et

charges auxiliaires pour les calculs

Notes:

- Les données du R407A/F sont basées sur des points milieux

qui qui permettent d'obtenir des températures d'évaporation et

de condensation moyennées.

4.13. Valeurs de GWPLes valeurs de GWP utilisées dans cette étude proviennent du

quatrième rapport d'évaluation de l'IPCC (Panel

intergouvernemental sur le changement climatique) :

« Changement climatique 2007 ».

Nous avons négligé le carbone compris dans les matériaux utilisés

pour fabriquer les locaux techniques, dans la production des

principaux composants et du réfrigérant, ainsi que l'énergie utilisée

pour la fabrication et la distribution.

Basse température

Type de système

Charge (kW)

Température d'évaporation (°C)

Température de condensation (°C)

Surchauffe (K)

Sous-refroidissement (K)

-5

optimisé

10

optimisé

4.5

10

Différence de température pourl'échangeur de la cascade (K)Puissance du ventilateurdu condenseur (kW)Ventilateurs de l'évaporateur , lampes,dégivrage (kW)

Détentedirecte

centraliséeet répartie

Boosterau R744

Détentedirecte

centraliséeet répartie

Cascade Secondaire R744Transcritique

Moyenne température

97

-10

25 ou 30

10

0

5

4.5

10

97

-10

25 ou 30

10

0

5

4.5

10

97

-5

25 ou 30

10

0

3.5

10

75

-32

optimisé

10

0

0

4

18

-32

-5

10

0

0

4

18

-32

-5

10

0

0

4

18

-35

25 ou 30

10

0

1

4

18

Pompe (kW) 1

Cascade Secondaire

Réfrigérant

R404A

R407A

R410A

R134a

HFO

R290

R744

GWP

3922

2107

2088

1430

4

3

1

R407F 1824

16

4.14. Limites d'applicabilitéL'étude fait référence à la technologie utilisée dans les supermarchés

européens actuels (2010).

Les constatations ne doivent pas être directement appliquées à

d'autres types de systèmes de réfrigération ou de climatisation.

Les installations varient considérablement en fonction d'un grand

nombre de facteurs, notamment :

• Préférences régionales : des technologies diverses sont utilisées

selon les pays à travers l'Europe, en raison des différentes

caractéristiques de la vente au détail, des conditions

réglementaires et pour des raisons historiques.

Les niveaux de compétence des techniciens de maintenance

doivent également être pris en compte.

• Climat : des conditions typiques pour l'Europe du Nord et du Sud

ont été choisies, mais certains profils de températures annuelles

européens comportent des différences.

• Préférences domestiques et d'entreprise : même au sein d'un

même pays, les chaînes de magasins de distribution peuvent

avoir des préférences différentes pour les installations de

réfrigération. Certaines préfèrent installer des systèmes de

meilleure qualité mais de coût plus élevé. Certaines préférences

peuvent aussi ne pas être basées sur le coût, mais sur d'autres

facteurs tels que l'uniformité ou la facilité de maintenance.

La technologie de réfrigération utilisée dans les supermarchés se

développe rapidement, et il existe un intérêt considérable pour les

systèmes de réfrigération et les réfrigérants alternatifs.

Le but de cette étude est de souligner les différences dans les

facteurs clés entre les systèmes utilisant les bonnes pratiques

actuelles et les futurs systèmes alternatifs envisageables.

17

5.1. IntroductionLes quatorze cas suivants ont été analysés.

Le cas 1, qui sert de référence, dispose de la technologie la plus

récente avec le scroll à injection de vapeur (EVI) à basse

température et le scroll de type ZB à moyenne température.

Tous les autres cas à détente directe utilisent différents types de

réfrigérants et de compresseurs. Les systèmes répartis intègrent

généralement des compresseurs scroll, qui sont plus légers et plus

compacts que les compresseurs semi-hermétiques.

Deux options de réfrigérants ont été choisies pour les systèmes

répartis. Le fluide R134a réduit les avantages de la technologie du

système réparti, puisque environ 70 % de volume balayé

supplémentaire est nécessaire, entraînant l'utilisation d'un

équipement beaucoup plus volumineux, plus lourd et plus coûteux.

Le R134a n'est donc pas considéré comme une option pour les

systèmes répartis.

Les systèmes en cascade comprennent un circuit BT au R744, avec

différentes alternatives de réfrigérant MT. Les systèmes secondaires,

qui n'ont pas de réfrigérant MT en circulation dans le magasin,

peuvent utiliser des fluides inflam-mables ou même du HFO, parce

que le réfrigérant reste à l'extérieur des zones publiques et est

confiné à proximité du groupe refroidis-seur. Un système au R744

complet est analysé dans le cas 14.

Les cas 12 et 13 peuvent être retenus comme des solutions futures

possibles, et ont donc été inclus pour montrer les implications

environnementales et financières possibles. La disponibilité des

produits pour ces cas doit être étudiée avant d'envisager un système

avec ces réfrigérants.

Configurations des cas5

5.2. Cas

4

5

6

7

9

10

3

8

11

2

1

13

14

12

Cas

DX



Cascade

Cascade

Cascade

DX

Cascade

Secondaire

DX

DX

Secondaire

Booster au R744

Secondaire

Modèle

R407A/F*

R404A

R407A/F*

R744

R744

R744

R404A

R744

R744

R404A

R404A

R744

R744

R744

Réfrigérant BT

R407A/F*

R404A

R407A/F*

R404A

R134a

R134a

R134a

R407A/F*

R410A Chiller

R404A

R404A

HFO Chiller

R744

R290 Chiller

Réfrigérant MT

Scroll EVI

Scroll EVI

Scroll EVI

Scroll

Scroll

Semi-hermeticà pistons Discus

Scroll

Scroll

Semi-hermeticà pistons Reed

Scroll EVI

Scroll

Scroll

Technologie BT

Scroll

Scroll

Scroll

Scroll

Scroll

Scroll

Scroll

Semi-hermeticà pistons Reed

Scroll

Scroll

Scroll

Technologie MT

* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.

Semi-hermeticà pistons





18

6.1. Consommation énergétiqueLa consommation énergétique annuelle (incluant celle des

compresseurs, des vitrines et des pompes du réfrigérant secondaire

pour chacun des cas) est conforme aux définitions ci-dessus.

La puissance consommée des compresseurs provient du logiciel

de sélection Copeland® version 7, de logiciels d'autres fabricants

de compresseurs ou, pour les quelques cas où les données ne sont

pas disponibles, de données générales de rendement .

Comparaison des cas et résultats6

Consommation énergétique, MWh/an, Europe du Nord Basse température Moyenne température

14. R744/R744 Scroll/Recip.

1. R404A Scroll (Base)

13. R744/HFO Scroll

12. R744/R290 Scroll

11. R744/R410A Scroll

10. R744/R134a Scroll

9. R744/R134a Recip.

8. R744/R407A/F*Scroll


6. R407A/F* Scroll

5. R404A Scroll

4. R407A/F* Scroll

3. R404A/R134a Recip.

2. R404A Recip.

0 100 200 300 400 500

Booster

Secondaire

Cascade

détente directe

détente directerépartie

Consommation énergétique, MWh/an, Europe du Sud Basse température Moyenne température



13. R744/HFO Scroll





8. R744/R407A/F* Scroll


6. R407A/F* Scroll

5. R404A Scroll

4. R407A/F* Scroll


2. R404A Recip.

0 100 200 300 400 600

Booster

Secondaire

Cascade

détente directe

détente directerépartie

500

Cas

e 1.

Cas

e 1.



19

Observations

1. Les données proviennent de modèles de compresseurs

représentatifs. Il existe un écart de COP entre les modèles, mais

la tendance reste nette.

2. Les cas 1 et 4 utilisent des systèmes à détente directe avec des

compresseurs scroll, et les cas 2 et 3 des systèmes équivalents

avec des compresseurs à pistons semi-hermétiques.

Dernier cri de la technologie, les compresseurs scroll EVI offrent

le meilleur rendement, tout comme les compresseurs ZB

3. La consommation énergétique est généralement supérieure

pour les systèmes autres qu'à détente directe, en raison de la

barrière de transfert de chaleur additionnelle entre les circuits

BT et MT.

4. L'utilisation du R407A/F avec un compresseur scroll (cas 4 et

6) offre la meilleure solution en termes de rendement

énergétique.

5. Un système en cascade avec un compresseur scroll au R744 et

du R404A ou du R407A/F en MT (cas 7 et 8) présente une

consommation énergétique légèrement supérieure, en raison

d'une pression d'évaporation MT plus basse.

6. Un système en cascade avec un compresseur semi-hermétique

à pistons utilisant le R744 en BT et le R134a en MT (cas 9)

présente une nette augmentation des besoins en énergie.

7. Pour un même système utilisant la technologie scroll (cas 10),

la consommation énergétique en BT est réduite , en raison du

moindre besoin en puissance électrique du scroll au R744, ce

qui rapproche la consommation énergétique totale de celle de

la solution au R407A/F (cas 8).

8. Les cas 11 à 13 sont des systèmes secondaires avec diverses

options de réfrigérants en MT. La solution scroll au

R410A (cas 11) fournit la consommation énergétique totale la

plus basse au sein de la gamme des systèmes secondaires.

9. Le R290 (cas 12) a un rendement légèrement inférieur à celui

du R410A, donc la consommation énergétique est un peu plus

élevée.

10. Une transition éventuelle vers le réfrigérant HFO pourrait être

possible pour le refroidisseur MT (cas 13). Un rendement

similaire à celui du R134a est attendu, mais la consommation

énergétique est supérieure à celle du R410A, qui est optimale

(cas 11).

11. Le système booster au CO2 transcritique (cas 14) a un COP

moyen équivalent à celui d'un système à détente directe avec

un compresseur à pistons au R404A (cas 2) en Europe du Nord,

on observe donc la même consommation énergétique.

12. En Europe du Sud, le booster au R744 nécessite 10 % d'énergie

en plus. La différence en besoin total en énergie est inférieure

à 10 %, car on suppose que les besoins des auxiliaires (vitrines,

ventilateurs, etc.) restent les mêmes.

Conclusion principale pour la consommation énergétique :

La meilleure option de remplacement de la technologie à détente

directe au R404A est le R407A/F. Pour les systèmes à détente

directe répartie et centralisée, la consommation énergétique totale

est légèrement réduite par rapport à la référence au R404A.

Les systèmes en cascade R744/R407A/F représentent également

une très bonne alternative.

20

6.2. Impact sur l'environnement / Empreinte

carboneLes données des définitions ci-dessus fournissent les informations

nécessaires pour calculer le TEWI pour chaque cas.

Le TEWI est un outil comparatif ; la précision des émissions de CO2

sur la durée de vie dépend de diverses hypothèses, c'est pourquoi les

valeurs relatives sont importantes. Les valeurs de TEWI indiquées

dans cette étude ne peuvent pas être directement comparées à celles

d'autres sources, études ou publications où des hypothèses différentes

sont utilisées.

Émissions de CO2 sur la durée de vie, en tonnes (TEWI), Europe du Nord MT fuiteMT Énergie BT Énergie BT fuite



13. R744/HFO Scroll







6. R407A/F* Scroll

5. R404A Scroll

4. R407A/F* Scroll


2. R404A Recip.

0 1000 1500 2000 2500 3500

Booster

Secondaire

Cascade

Détentedirecte

Détentedirecte

répartie

3000500

Émissions de CO2 sur la durée de vie, en tonnes (TEWI), Europe du Sud



13. R744/HFO Scroll







6. R407A/F* Scroll

5. R404A Scroll

4. R407A/F* Scroll


2. R404A Recip.

0 1000 1500 2000 2500 3500

Booster

Secondaire

Cascade

Détentedirecte

Détentedirecte

répartie

3000500

Cas

e 1.

Cas

e 1.



MT fuiteMT Énergie BT Énergie BT fuite

21

Observations

1. Le remplacement, dans les systèmes à détente directe, du fluide

R404A par du R134a (en MT uniquement) ou du R407A/F (cas

3 et 4 par rapport aux cas 1 et 2) offre une réduction significative

du TEWI. Le R407A/F est la meilleure option.

2. Un système réparti avec du R404A (cas 5) offre une réduction

de TEWI similaire à celle du R407A/F dans un système à détente

directe centralisée (cas 4).

3. Un système réparti scroll au R407A/F (cas 6) offre une valeur

de TEWI proche de celle de la solution booster au R744 (cas

14). En Europe du Sud, les émissions de CO2 pour le cas 6 sont

aussi basses que celles du cas 14.

4. Les systèmes en cascade (cas 7 à 10) sont pénalisés par

d'importants taux de fuite sur le système à détente directe

centralisée MT qui gère également le rejet de chaleur BT.

Le résultat est une économie très faible si le R404A est utilisé

(cas 7).

5. Pour un TEWI bas, il faut choisir un réfrigérant à faible GWP

(donc pas le R404A) pour les systèmes en cascade. Avec le

R404A (cas 7), l'effet des émissions liées aux fuites domine.

Passer à un réfrigérant de plus faible GWP comme le R134a ou

le R407A/F (cas 8, 9, 10) engendre des réductions de TEWI, et

le GWP plus faible du R134a joue un rôle important pour assurer

les valeurs du TEWI des meilleures cascades (cas 9 et 10).

6. Les systèmes secondaires (cas 11 à 13) donnent les meilleures

valeurs de TEWI. Les émissions indirectes émanant de la

puissance consommée sont similaires à celles des systèmes en

cascade, mais les émissions directes sont faibles, même avec

le R410A (cas 11).

7. Avec des précautions de sécurité appropriées, des réfrigérants

inflammables peuvent être utilisés dans ces systèmes, mais pas

dans les systèmes à détente directe ni les systèmes en cascade.

Les systèmes avec des réfrigérants inflammables à faible GWP

(cas 12 et 13) donnent une indication de la réduction de TEWI

possible en utilisant cette approche.

8. Le système secondaire utilisant un refroidisseur scroll fabriqué

en usine comportant une faible charge de R410A, en supposant

un taux de fuite de 5 % (cas 11), offre une meilleure valeur de

TEWI que le système booster au R744.

9. En Europe du Sud, tous les systèmes secondaires (cas 11 à 13),

ainsi que le système à détente directe répartie au R407A/F

(cas 6), offrent de meilleures valeurs de TEWI que le système

booster au R744 (cas 14).

10. Le scroll au R410A (cas 11) consomme moins de puissance

électrique que le compresseur équivalent au R290 (cas 12) en

Europe du Sud. De ce point de vue, le choix du R290 ne présente

aucun avantage.

11. Pour les applications avec secondaire, le HFO est une alternative

possible au R134a puisqu'il offre un rendement semblable.

Il pourrait être utilisé pour résoudre les problèmes de fuites ,

mais l'impact est minime comparé au R410A concernant le

TEWI (cas 11) et le système de refroidissement serait largement

plus grand.

Conclusion principale sur le TEWI :

En Europe du Nord, l'option booster au R744 est une configuration

excellente pour le TEWI. Les systèmes secondaires avec du R744

et du R410A peuvent même offrir des valeurs de TEWI légèrement

inférieures.

En Europe du Sud, tous les systèmes secondaires offriront de

meilleures caractéristiques. Les systèmes à détente directe répartie

avec du R407A/F offrent une excellente alternative dans toutes

les régions.

22

6.3. Coûts d'investissement

6.3.1. Structure des coûts d'investissement et

pondération des composants du systèmeUne structure simple pour les coûts d'investissement relatifs

a été construite pour les équipements de réfrigération, les

compresseurs, les condenseurs et l'installation a été construite

sur la base suivante :

Équipements deréfrigération 100 %

Condenseurs 20%Centrales de

compresseurs 40%

Assemblage dusystème et mise en

service 40%

Compresseurs 35%Autres composants

des centrales +assemblage 65 %

Installation 95% Réfrigérant 5%

23

Les vitrines de réfrigération ne sont pas incluses.

Dans ce cadre, en prenant comme référence un compresseur scroll

au R404A dans des systèmes centralisés, les pondérations suivantes

sont effectuées :

Ces graphiques montrent les surcoûts applicables dans chaque

cas. Par exemple, concernant les compresseurs, nous avons un

surcoût de 20 % pour un compresseur à pistons semi-hermétique

par rapport à un scroll avec le même réfrigérant. Il n'y a pas de

surcoût pour la plupart des réfrigérants, bien qu'il y ait une pénalité

pour le R134a et le HFO (nécessité de 70 % de volume balayé en

plus) et pour le R744 (technologie haute pression).

Le type de système affecte également l'investissement pour le

compresseur. Une redondance de puissance frigorifique supérieure

est nécessaire pour les systèmes répartis, et les systèmes booster

et en cascade requièrent un plus grand volume balayé puisque la

vapeur est comprimée deux fois.

Exemples:

• Un compresseur à pistons semi-hermétique au R134a aura un

surcoût de 20 % (type) plus 20 % (réfrigérant) résultant en un

surcoût total de 40 % par rapport au Scroll de base au R404A.

• Un système booster utilisant du R744 aura un surcoût de 20 %

(type) plus 20 % (réfrigérant) plus 40 % (système), résultant en

un surcoût total de 80 %. L'hypothèse a été réalisée pour des

compresseurs au CO2transcritiques ayant un gros volume de

production. Les prix et les coûts actuels pourraient être

considérablement plus élevés.

Compresseurs

Scroll

0 20 40 60

Semi-hermetique à piston

80 100 120

R404A, R407A/F, R410A, R290

0 20 40 60

R134a, HFO

80 100 160

R744

120 140


0 20 40 60


80 100 160

Cascade, Secondaire

120 140

Booster au R744

Type

Réfrigérant

Système

24

Le débit volumique supplémentaire du R134a et du HFO engendre

un coût additionnel de 20 %. Un surcoût de 20 % est également

appliqué aux composants pour le R744. Les systèmes à détente

directe répartie impliquent plus de coûts pour la centrale, mais

moins d'assemblage sur site, ce qui se reflète ci-dessous. Les

systèmes en cascade et booster ont des circuits, des régulateurs

et des échangeurs de chaleur supplémentaires.

Autres composants des centrales

Scroll

0 20 40 60

Semi-hermetique à piston

80 100 120

R404A, R407A/F, R410A, R290

0 20 40 60

R134a, HFO

80 100 140

R744

120

0 20 40 60 80 100 180120 140

Type

Réfrigérant

Système

160



Cascade, Secondaire

Booster au R744

25

L'élément réfrigérant représente seulement 5 % du coût total de

l'installation. Les pondérations ont donc peu d'importance, sauf

pour le HFO où un coût très élevé est impliqué. Le coût du HFO

restant très incertain, un coefficient multiplicateur de 10 par rapport

au R134a a été appliqué en absence d'informations spécifiques des

fabricants de réfrigérants. De plus, le R407A et le R407F ont un

coût comparable.

R134a

R404A

0 20 40 60 80 100 1300

R407A/F

Réfrigérant

Coût relatif, R404A = 100

R410A

R290

R744

HFO

120 140

Installation

Condenseur

Refroidisseur de gaz au R744

0 20 40 60

Tous, excepté le refroidisseurde gaz au R744

80 100 140


0 20 40 60


80 100 140

Cascade, Secondaire, Booster

120

120

Un surcoût de 30 % a été inclus pour le refroidisseur de gaz au

R744, le réservoir/séparateur et les régulateurs additionnels.

6.3.2. Comparaison des coûts d'investissement

26

Observations

• Les systèmes répartis ont le coût le plus faible, mais peuvent

uniquement être appliqués dans une architecture/structure de

bâtiment appropriée.

• Le passage d'un système à détente directe à un système en

cascade, avec secondaire ou au R744 impliquera des coûts

supplémentaires.

• L'utilisation de la technologie Scroll dans des systèmes en cascade

ou avec secondaire offre la meilleure alternative.

• Le coût du réfrigérant joue un rôle mineur, sauf dans le cas du

HFO.

• Les systèmes booster au R744 éliminant les HFC et les réfrigérants

inflammables demanderont le plus gros investissement.

Comparaison des coûts d'investissement Compresseurs Autres composants RéfrigérantInstallation



13. R744/HFO Scroll







6. R407A/F* Scroll

5. R404A Scroll

4. R407A/F* Scroll


2. R404A Recip.

0 40 60 80 100 16012020

Condenseur

140

Les données des définitions ci-dessus fournissent les informations

nécessaires pour calculer le coût d'investissement total pour les

différents cas. Le graphique ci-dessous est un outil de comparaison

où, là encore, la détente directe avec un scroll au R404A est utilisée

comme référence (100) et indique la part des principaux coûts

dans le total.

Cas

e 1.


Booster

Secondaire

Cascade

détentedirecte

détentedirecte

répartie

27

7.1. ConstatationsLes tableaux et les graphiques indiquent clairement la

consommation énergétique, l'impact sur l'environnement et les

implications des coûts d'investissement de différents systèmes de

supermarché. Les valeurs pour ces critères clés découlent

directement des hypothèses considérées et des données des

compresseurs. Les résultats ne sont pas basés sur des opinions ni

sur le besoin d'être perçus comme « écologistes », mais sur des

données quantifiées. Nous pouvons tirer un certain nombre de

constatations :

Pour les systèmes à détente directe :

• Le cas de référence 1 est un système à détente directe simple

basé sur les meilleurs compresseurs, les scroll EVI et les ZB.

Les compresseurs de technologie haut de gamme offrent la

consommation énergétique la plus faible à un prix compétitif.

L'impact sur l'environnement de tels systèmes peut être

considérablement réduit en passant au fluide R407A/F.

• Les solutions utilisant des compresseurs semi-hermétiques pour

le même système montrent une consommation énergétique

environ10 % supérieure, donc un TEWI plus élevé.

Les publications sur le rendement du R744 dans des systèmes

de supermarché font généralement la comparaison avec le

rendement d'un système à détente directe utilisant un

compresseur semi-hermétique au R404A , correspondant au

cas 2 de notre étude.

• Les valeurs de TEWI peuvent être améliorées en remplaçant le

R404A par le R134a pour la moyenne température. En effet, on

note une réduction substantielle de l'effet des fuites en raison

d'un GWP plus faible et de pressions moindres. Cependant, il y

a un impact sur le coût en raison d'un volume balayé

supplémentaire de 70 %. De plus, le R134a est inapproprié pour

les systèmes BT.

• Une alternative au R134a dans les systèmes MT est le R407A/F,

qui permet la conception d'un système compact, de manière

similaire au R404A. Le rendement avec un scroll MT au R407A/F

est légèrement supérieur à celui du R404A ce qui, combiné à la

technologie d'injection de vapeur en BT, offre une meilleure

consommation énergétique totale inférieure et un TEWI plus

faible par rapport à la solution à détente directe au R134a.

Le R407A/F dans un système à détente directe centralisée

(cas 4) est la solution la plus rentable alors qu'un système à

détente directe répartie est peu pratique.

Les systèmes indirects à détente directe

• Les systèmes à détente directe répartie peuvent avoir des

émissions directes inférieures, grâce à la charge réduite et aux

taux de fuite faibles des unités fabriquées en usine.

• Les compresseurs scroll avec des connexions brasées contribuent

à ces taux de fuite faibles.

• Normalement, les compresseurs scroll sont utilisés dans ce type

pour lesquelles un montage en toiture est possible. L'effet sur le

TEWI peut être observé en comparant le cas 5 au cas 1.

La consommation énergétique obtenue est égale à celle du cas

de base 1 bien que, en pratique, des économies devraient être

possibles grâce à des tuyaux plus courts et de plus faible diamètre

(ce qui devrait réduire les pertes de charge et les pertes en

température).

• Le cas 6 montre les avantages de l'utilisation du R407A/F dans

cette configuration.

Pour les systèmes en cascade :

• Un système en cascade permet d'utiliser le R744 d'être appliqué

dans le circuit BT en utilisant la technologie de compression de

vapeur traditionnelle. Dans le cas 7, le R404A est utilisé dans un

système à détente directe en MT. La charge totale sur le système

MT inclut le rejet de chaleur BT. Il en résulte un système à détente

directe plus grand, avec une charge proportionnellement plus

importante et des effets de fuite plus marqués.

• Le passage au R134a pour la MT améliore considérablement le

TEWI pour le système en cascade, mais génère un impact

important sur le coût.

• Un système en cascade avec du R407A/F en MT (cas 8) améliore

la consommation énergétique, mais le TEWI est plus élevé

d'environ 4 % que pour l'alternative au R134a (en raison d'un

GWP plus élevé). Cependant, le coût est largement réduit.

Pour les systèmes secondaires :

• Un système secondaire élimine virtuellement l'effet des émissions

directes. Un refroidisseur au R410A peut être utilisé pour la MT

et la BT en cascade, et le taux de fuite du groupe fabriqué en

usine est faible.

• En utilisant du R290 ou du HFO pour le refroidisseur, même cette

faible émission directe peut être éliminée, mais avec une pénalité

de coût associée à des précautions de sécurité supplémentaires.

Constatations et discussions7

28

Pour les systèmes booster au R744 :

En examinant les systèmes au R744, nous pouvons faire un

certain nombre d'observations. Il est nécessaire de tirer parti des

avantages suivants pour que le système atteigne les performances

indiquées dans les graphiques de comparaison :

• Meilleur transfert de chaleur : le R744 possède des propriétés

de transfert de chaleur particulièrement bonnes, ce qui autorise

des différences de température moindres au sein des échangeurs

thermiques, améliorant ainsi le rendement du système.

• Effet de refroidissement élevé : le volume de R744 requis pour

obtenir le même effet de refroidissement est très inférieur à celui

des HFC. Ceci permet à un grand nombre de composants

(comme les compresseurs et les tuyauteries) d'être plus petits

que dans les installations classiques.

Cependant, il faut également prendre en compte :

• La haute pression : les circuits de réfrigération au CO2 transcritique

fonctionnent à des pressions bien plus élevées (jusqu'à 110 bars)

que les systèmes au R404A classiques (jusqu'à 25 bars). Ceci

requiert l'utilisation de composants et de techniques

d'assemblage peu communs dans le secteur de la réfrigération

pour les supermarchés.

• La maintenance : le fonctionnement en mode transcritique

requiert une conception différente par rapport aux systèmes

HFC classiques, conception qui est peu connue de la plupart des

techniciens de maintenance en réfrigération pour les

supermarchés.

• Coût élevé : le R744 n'est pas largement utilisé dans les systèmes

de réfrigération. Ceci limite le choix des composants pour les

concepteurs, ce qui entraîne une tendance à l'augmentation des

coûts. Les pressions élevées nécessitent également des matériaux

et des conceptions plus contraignants et, par conséquent, d'un

coût plus élevé.

• Les performances faibles en conditions ambiantes élevées : en

mode transcritique, les COP sont alors plus faibles que pour les

systèmes à compression de vapeur classiques. En Europe du Sud,

ceci pénalise le R744.

Passer à un système booster au R744 entraînerait à l'heure actuelle

un changement d'architecture drastique pour le supermarché.

Cette solution risque donc de rester limitée aux nouvelles

constructions, alors que la plupart des chantiers de rénovation

resteraient basés sur les HFC.

Sans des alternatives plus simples et moins onéreuses, les objectifs

de réduction de carbone pour 2020 seront difficile à atteindre.

7.2. Addition des trois critèresCeci est une addition simple des valeurs relatives des trois para-

mètres : la consommation énergétique, l'impact sur l'environne-

ment (TEWI) et le coût d'investissement. Tous les chiffres sont

exprimés en pourcentages par rapport au cas de base utilisant un

Scroll au R404A (cas 1).

Les résultats peuvent également être comparés dans le

graphique ci-dessous.

29

Technologie du compr.Moyenne et Basse Temp.

Puissance

TEWI

RéfrigérantBasse température

Coût d'inves-tissement

RéfrigérantMoyenne température

Système

Scroll

Base

Base

R404A

Base

R404A

Détente directe

1Cas

À pistons

12%

6%

R404A

3%

R404A

2

À pistons

5%

-18%

R404A

11%

R134a

3

Scroll

-3%

-24%

R407A/F*

0%

R407A/F*

4

Scroll

0%

-24%

R404A

-14%

R404A

Détente directerépartie

5

Scroll

-3%

-36%

R407A/F*

-13%

R407A/F*

6

Scroll

7%

-2%

R744

13%

R404A

7

Scroll

4%

-23%

R744

13%

R407A/F*

8

À pistons

12%

-27%

R744

25%

R134a

Cascade

9

Scroll

9%

-28%

R744

21%

R134a

10

Scroll

7%

-42%

R744

17%

R410Achiller

11

Scroll

9%

-43%

R744

18%

R290chiller

Secondaire

12

Scroll

12%

-41%

R744

32%

HFOchiller

13

Scroll/À pistons

12%

-42%

R744

48%

R744

Booster

14

Résultatnormalisé

Meilleur choix Deuxième meilleur choix Troisième meilleur choix


Comparaison globale Coût d'investissement

14. R744/R744 Scroll/À pist.


13. R744/HFO Scroll




9. R744/R134a À pistons



6. R404A/F* Scroll

5. R404A/F* Scroll

4. R407A Scroll

3. R404A/R134a À pistons

2. R404A À pistons

0 40 60 80 100 12020

TEWIPuissance


Booster

Secondaire

Cascade

Détentedirecte

Détentedirecte

répartie

En supposant une importance égale pour ces 3 paramètres, une

moyenne a été calculée pour classer ces différentes combinaisons

réfrigérant/technologie.

Nous constatons que le système réparti utilisant un scroll au R407A/F

est le meilleur choix (1re place) en combinant les trois critères.

Les systèmes à détente directe R404A se placent en 2e position (cas 5).

Cependant, lorsque l'installation d'un système réparti est impossible,

l'utilisateur peut se diriger vers un système à détente directe au R407A/F

avec un local technique séparé (cas 4, 3e place). Pour un client

recherchant le TEWI le plus faible tout en gardant un coût

d'investissement raisonnable, les systèmes secondaires (cas 11 et 12)

sont d'excellentes options (4e et 5e places).

En réalité, la pondération de ces facteurs par l'utilisateur final influencera

sensiblement la comparaison. Chaque client devra prendre une décision

en mettant l'accent sur les critères les plus importants pour ses activités.

Tandis qu'un client privilégiera un faible coût d'investissement, un autre

pourra préférer un faible impact sur l'environnement ou une faible

consommation énergétique.

Emerson Climate Technologies offre une large gamme de choix

technologiques répondant à tous ces cas. Le Scroll domine les solutions

haut de gamme et est surtout adapté aux systèmes à détente directe

répartie et aux systèmes secondaires, où sa compacité est un atout,

en utilisant la meilleure technologie au R410A disponible.

Nous savons qu'un système réel ne correspondra précisément à aucun

des cas exposés dans cette étude mais cette analyse fournit des conseils

utiles pour réaliser des comparaisons.

Il n'existe aucune solution universelle offrant un système de réfrigération

de faible coût et sans émission de CO2. Cependant, cette étude devrait

offrir des indicateurs utiles permettant d'évaluer les valeurs relatives

des différents arguments formulés par les partisans de tel ou tel système.

30

-17%

1

Technologie du compr.Moyenne et Basse Temp.

RéfrigérantBasse température

RéfrigérantMoyenne température

Système

Scroll

R404A

R404A

Détente directe

1Cas

À pistons

R404A

R404A

2

À pistons

R404A

R134a

3

Scroll

R407A/F*

R407A/F*

4

Scroll

R404A

R404A

Détente directerépartie

5

Scroll

R407A/F*

R407A/F*

6

Scroll

R744

R404A

7

Scroll

R744

R407A/F*

8

À pistons

R744

R134a

Cascade

9

Scroll

R744

R134a

10

Scroll

R744

R410Achiller

11

Scroll

R744

R290chiller

Secondaire

12

Scroll

R744

HFOchiller

13

Scroll/À pistons

R744

R744

Booster

14

6%

12

-2%

6

3%

11

1%

9

-6%

4

-5%

5

1%

10

6%

13

-12%

2

-9%

3

0%

8

7%

14

100

7

Moyenne

Classement


31

Conclusion générale8

Aucune technologie ne peut être idéale sur tous les plans. La détente directe permet d'avoir la meilleureefficacité énergétique, et de minimiser les coûts d'investissement. Pour optimiser les émissions de CO2

ou le TEWI, les systèmes transcritiques au CO2 peuvent apparaître comme la meilleure solution, s'ils sontappliqués de telle façon que la consommation énergétique annuelle est équivalente à celle d'un systèmeà détente directe utilisant des compresseurs à pistons. Ceci est l'objectif habituel des concepteurs pource type de systèmes, mais risque d'être difficile à atteindre pour les climats d'Europe du Sud.Pour l'avenir, l'utilisation généralisée de systèmes transcritiques au CO2 restera liée au coût d'investissementet à son temps d'amortissement. Les systèmes secondaires pourraient apparaître comme une bonnealternative. Actuellement, l'utilisation du R407A/F (ou d'un autre réfrigérant de la série R407) sembleêtre un très bon compromis, si les fuites peuvent être maintenues dans les limites demandées, vu queles émissions directes admissibles dépendent des valeurs du GWP. Un bon contrôle du taux de fuiteaccentuera l'avantage de l'utilisation du R407A/F.

Les évolutions technologiques sont notamment guidées par la législation et le besoin d'être« perçu comme sensible à la protection de l'environnement ». Des mesures à court terme telle unelégislation simpliste peuvent aller à l'encontre de l'objectif global de réduction des émissions,particulièrement si l'engagement de l'industrie est insuffisant. Chacune des alternatives aux systèmescentralisés au R404A verra une technologie et un service poussés aux limites pour la réduction des fuites,l'intégration énergétique des bâtiments et la récupération d'énergie. Un contrôle efficace est indispensablepour s'assurer que les performances énergétiques attendues sont atteintes et constantes dans le temps.

The Emerson Climate Technologies logo is a trademark and service mark of Emerson Electric Co. Emerson Climate Technologies Inc. is a subsidiary of Emerson Electric Co.Copeland is a registered trademark and Copeland Scroll is a trademark of Emerson Climate Technologies Inc.. All other trademarks are property of their respective owners.Information contained in this brochure is subject to change without notification.

© 2011 Emerson Climate Technologies, Inc.

TGE1

24/0

911/

F

Pour plus d'informations, visitez : www.emersonclimate.eu

Emerson Climate Technologies - France - 8, Allée du Moulin Berger 69134 Ecully Cédex, FranceTel. +33 4 78 66 85 70 - Fax +33 4 78 66 85 71 - Internet: www.emersonclimate.eu

Présentation d’Emerson Climate TechnologiesEmerson Climate Technologies est le premier fournisseur mondial

de solutions de chauffage, ventilation, conditionnement d’air et

réfrigération pour les applications résidentielles, industrielles et

commerciales. Le groupe allie une technologie de première classe

à des services éprouvés en matière d’ingénierie, de conception et

de distribution afin d'offrir à rendement énergétique élevé, des

solutions aux systèmes d'air conditionné, de chauffage et de

réfrigération , destinées à améliorer le confort, garantir la sécurité

des denrées alimentaires et protéger l’environnement.

Documents

Choix de réfrigérants pour la réfrigération · PDF file3 1. Préambule 1.1. Introduction 4 1.2. Glossaire 5 1.3. Résumé 5 2. Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale